河南荥阳官庄遗址铸铜技术与金属资源变迁初步研究
摘要：对荥阳官庄遗址近年发掘的部分铸铜遗物进行显微物相及成分分析，铜渣块均为青铜熔炼渣，产品以铅锡青铜为主，部分样品锡含量较低，与春秋早期中原各诸侯国青铜器的合金技术面貌近同。官庄遗址大部分熔炼渣及铜器与同出的纯铅块具有一致的铅同位素比值；铸铜生产最早及最晚阶段的少数实例，分别与扶风李家及新郑中行铸铜作坊的铅同位素比值特征一致，填补了春秋早期金属资源序列的缺环。综合合金技术、铅料资源及已报道的制范技术，能够初步探讨春秋早中期铸铜作坊技术与资源的变迁。
官庄遗址位于河南省荥阳市高村乡官庄村西，主体为一座两周时期城址，并在大城北部发现了春秋时期的铸铜作坊。自2018年开始，郑州大学历史学院与北京大学考古文博学院等单位合作，对官庄遗址出土多种铸铜遗物进行科学分析研究。本文主要对2015~2018年发掘所获铜渣块及青铜器等含金属样品进行成分及铅同位素比值分析。
一、样品情况及分析结果
本次共分析样品34件，样品信息列于表一。其中铸铜遗物26件，包括炉壁（坩埚壁）样品10件，金属渣块样品16件；青铜器样品8件，其中削刀与锛等工具类器物各1件，空首布货币2件，厚薄各异的铜器残片4件。
样品以北京大学考古文博学院科技考古实验室HitachiTM3030超景深电子显微镜观察形貌，并以SEM-EDS（扫描电镜联用能谱）进行成分分析，信号采集时间为90秒，结果以元素质量分数形式列于表二至表四。样品以王水溶解，稀释后加入Tl 2SO 4溶液作为内标；利用北京大学地球与空间科学学院VGAxiom型MC-ICP-MS（多通道接收-电感耦合等离子体质谱仪）完成铅同位素比值测定， 207Pb/ 206 Pb 与 208Pb/ 206 Pb 比值误差不高于0.05%，结果列于表五。
二、合金技术的分析研究
（一） 铜渣块的性质判断
官庄遗址出土的铸铜遗物中，有的由宏观形貌即可确定功能，如陶范与制范及浇铸工序有关，粘附铜渣的炉壁（坩埚壁）（图一）当与精炼粗铜或熔炼青铜的工序有关，而有的遗物则需要通过显微形貌观察及物相分析方可确认。铜渣、铜块形貌多样（图二），仅肉眼观察未必能够将粘附熔炼浮渣的铜块与自然锈蚀的金属块准确区分。若能在铜渣、铜块表面找到高温过程产生的特定物相，则能较为准确地判定其为精炼或熔炼产物。
官庄遗址出土的铜渣、铜块，大部分样品表面均存在高温活动产生的物相，指示较强的氧化气氛，可以确定为熔炼青铜时产生的渣块。周文丽对铅锡青铜体系的熔炼渣，按铜、锡、铅各自归纳判别物相，本文进一步梳理为以下三类：
1.含锡物相：包括自形为方形或条状的锡石颗粒（图三）；含锡钙（铁）硅酸盐，多呈胞状（图四）；2.含铅物相：包括铅硅酸盐，常为多气孔的均一玻璃态，表面可见贝壳状断口（图五）；3.含铜物相：包括铜氧化物，多呈方形，在富氧环境中常偏析枝晶（图五）。
高温过程中金属锡被氧化形成自形较好的锡石，但熔炼时常常产生大量灰分，导致局部钙含量较高，从而析出富钙、铁的含锡物相，故而第一类中常共存多种物相（图六）。据此可通过渣中物相推断熔炼对象，信息汇总于表一的末列。
官庄遗址大部分铜渣块均为青铜合金渣块，多为铅锡青铜质，少数为锡青铜质，未见纯铜、锡等金属单质原料锭块，仅发现一件内部为青铜的小铅块。本次检测的铜渣块中，未发现纯铜块及粗铜精炼渣，仅H1341④:2、H1573②:7等样品中发现少量铜颗粒，反映铸铜作坊以纯铜配制合金，但铜、锡等铸铜原料集中管理，并未随意遗弃。官庄H1863出土一件金属块（图七），表面灰白色，内部灰绿色，经分析表层为铅质，另含As0.8%，最内层为铅锡青铜。中原地区商周时期铸铜作坊中发现的铅锭块，局部或内部常带有绿色，如安阳殷墟刘家庄北地铅锭。山西侯马牛村铸铜作坊H329所出铅锭块的铜含量甚至超过10%，研究者推测是铅青铜锭块冷凝时先析出高熔点富铜相所致，应为铸铜生产的副产物。
官庄遗址出土一些碎铜片，大小各异，厚薄不均，并多与熔炼渣、炉壁块共出，可能为待重熔的金属原料。H1573③:15铜片壁厚达0.5厘米，弧度极小，局部残存铸造纹饰（图八），可能为大型礼容器的残片。此残片及同出的铜渣块，成分相近（表三450114-1行及表四450114-2行），并且均具有富铁的材质特征，不排除铜渣块与铜残片对应同一件器物的可能性。
（二） 铜块与铜器的合金成分
两周之际，中原地区青铜容器的材质发生了明显变化。西周中晚期以来盛行的锡青铜容器迅速减少，铅锡青铜材质的容器则迅速成为主流。容器以外的薄片饰及部分车马器、兵器由于对加工、使用的机械性能存在需求，仍然多使用锡青铜或低铅的铅锡青铜材质制成。借助这一背景，可以更好地理解官庄铸铜作坊的合金技术。
官庄遗址出土铜块与铜器的材质主要为铅锡青铜。本次分析的34件样品中，仅5件样品为锡青铜材质，且其中4件与铅锡青铜块或炉壁同出，可知同一区域可以同时生产不同材质的青铜。在遗址出土的5件残铜片中，2件为锡青铜残片，故可推断铸铜作坊不断将锡青铜残片进行重熔利用，但合金化后的产品主要是铅锡青铜，仅有少量为锡青铜材质。
春秋初年常见的低锡青铜器，在官庄遗址中多有所见。春秋早期中原及关中地区墓中常随葬锡含量较低的青铜容器。南阳夏饷铺等墓地中甚至随葬成组红铜或铅青铜质容器。官庄遗址H1337铜片、T1711-3③:8铜块均为低锡材质，可知当时低锡器物在豫中地区同样多见，并且确为铸铜作坊重要的生产类别。官庄所出铜块及炉壁中，有大量低锡的铅锡青铜甚至铅青铜颗粒，但这主要指示不充分的熔炼过程，不一定能够用于推断铸件的合金配比。李延祥指出熔炼渣成分通常很不均匀，熔炼时较强的氧化气氛，会导致浮渣中合金相的锡含量低于理想合金配比。
春秋早中期，青铜器中常见较高的铁含量，官庄遗址部分铜块、铜器也具有这一材质特征。自西周至春秋前期，长江中下游地区硫化型铜矿是铜料的主要来源，矿源特征导致粗铜中具有很高的铁含量。官庄H1337铜片含Fe甚至高达3%以上。这一时期，部分金属物料中含有相对高的砷含量，如T1411-2③:11渣中即含As0.8%；新郑郜楼M139:1鼎含As1.1%，与官庄春秋铸铜遗物同期。由本次分析的官庄H1863金属块知，青铜器中的砷不仅由铜料引入，也可能来自含砷的铅料。
三、金属资源的变迁
（一） 铅同位素比值随时代的变化规律
官庄遗址青铜器及铸铜遗物的铅同位素比值具有较高共性，并且较为完整地展现了两周之际至春秋中期主要铅料随时代的变化。为便于讨论，以 208Pb/ 206 Pb 对 207Pb/ 206 Pb 作图，以经验参考线l 0:y=1.6162x+0.7288划分区域，则在l 0中段、 208Pb/ 206 Pb 在2.12~2.14间的比值记作A类， 208Pb/ 206 Pb 在2.09~2.12间的比值记作B类， 208Pb/ 206 Pb 在2.15~2.18间的比值记作C类。B类比值中，沿参考线l 0左端分布的记作B 0类，在l 0下方的则记作B 1类。在西周晚期，中原地区青铜器的材质以锡青铜及低铅的铅锡青铜为主，铅同位素比值的分布相对分散，包含A、B 0、B 1三类。进入春秋早期，中原地区青铜器铅含量升高，铅同位素比值趋于集中，A类比值成为主流，个别地区存在一定比例的B 1类比值；春秋中期起，B 0类比例迅速增高，取代A类成为主要铅料类别。
官庄遗址本次分析的25件铅同位素样品中，有20件属于A类比值，占80%，为官庄最主要的比值类别；其余5件样品分属B、C类比值，其中H1573所出容器残片属B 1类，两件空首布样品分别为B、C类，下文分别讨论。20件A类样品的铅含量各有差异，其中H1337铜片含铅不足0.2%，其余样品铅含量在1%上，H1863金属块则近纯铅。不同铅含量的样品具有基本相同的比值，反映比值与样品铅含量无关，据此推测A类比值指示的铜料与铅料来源可能是相同的，或为一类铜铅共生矿。
官庄铸铜作坊第一期单位样品的比值，以A类为主，兼有个别B 1类。官庄遗址简报指出，作坊第一期单位所出陶豆柄多有凸箍，陶容器范的纹饰主题以窃曲纹、重环纹为主，绝对年代为春秋早期。本期典型单位如H1966，所出簋范饰双周重环纹，具有西周晚期的遗风；还包括H1573、H1341等单位。这三个灰坑所出的4件样品，指示熔炼活动及铸铜产品的3件均为A类，H1573的容器残片则为B 1类。
官庄所见B 1类比值具有明确的地域来源，在官庄遗址又指示了年代较早的资源特征。B 1类比值是西周中晚期至春秋早期长江下游地区主要利用的铅料资源（图九），由王开对安徽铜陵师姑墩遗址冶铸遗物的分析可知，B 1类比值样品包括纯铅样品及含铅量极低的炼铜渣，故而对应一类铜铅共生资源。西周晚期，这类比值在关中、晋南地区青铜器中占有一定比例；在豫中、山东等更偏东的地区，据已有数据看，此类比值甚至是主要类别。官庄遗址本阶段的发现可以说明，来自江淮地区的金属资源在春秋初年的中原地区仍然有少量应用，官庄铸铜作坊第一期样品的比值分布与曲沃羊舌M4、曲村M5189、虢国M2001等青铜器群最为接近（图一〇）。荥阳是晋南、豫西前往江淮地区的咽喉要道，春秋初年这些地区主要利用A类铅料，而同时延续B 1类铅作为补充，此现象有助于理解晋姜鼎、戎生钟等金文材料所载晋国与江淮地区之间的铜料贸易。
官庄铸铜作坊第二期单位样品的比值，除空首布外，全部为A类比值。铸铜作坊第二期单位出土陶豆柄部省去凸箍，偶见弧盘豆，器形稍晚于第一期，但不见新郑中行遗址春秋中晚期单位所出鼓肩陶盂，细高柄陶豆等器形，年代明显又早于后者。本期陶范纹饰出现交龙纹、连体龙凤纹等，而尚不见中行遗址阶段流行的细密蟠螭纹。本期典型单位为H1187，绝对年代大致为春秋中期早段。H1187检测的3件样品，比值均为A类，并且较铸铜作坊第一期比值范围明显更为集中。据目前已有数据知，春秋早期晚段至春秋中期早段中原及周邻地区青铜器，铅同位素比值大多皆为A类，且同样高度集中（图一一）。
官庄遗址大量应用的A类铅料，目前还难以确定具体的产源，以鄂东南—赣北地区可能性最大，但尚缺乏与铅有关的矿冶遗物证据。官庄H1861铅块是首次在铸铜遗址中发现A类铅的实物，其内部成分不均，包裹少量青铜，表明其与铸铜活动有关，而非小型铅器，此铅块富砷、银的微量元素特征对总结此类铅质原料的材料学特征也具有重要意义。
（二） 空首布及相关遗迹的年代
官庄遗址出土了多件空首布及布銎泥芯。目前已测的两件空首布样品，铅同位素比值均指示了较晚的年代意味，上限不早于作坊第二期H1187等单位。官庄H1828空首布的铅同位素比值为B类。这类比值在春秋早中期之际的汉淮地区即逐渐流行，至春秋中期中晚段在中原及海岱地区是最主要的铅料资源，在郑地目前最早见于兴弘花园M42及M100，也是中行铸铜遗址春秋中期晚段熔炼渣的比值类型（图一二）。
官庄T1712-2③空首布銎的铅同位素比值为C类，这类铅在中原地区具有明确的年代上限。郑国青铜器中最早的C类铅实例为新郑中行祭祀坑K2鼎，而较此稍早的兴弘花园M100敦尚为B类；晋国青铜器中，最早的C类铅见于隰县瓦窑坡M21，而较此稍早的瓦窑坡M30及M29尚为B类；海岱地区最早的C类铅见于滕州薛故城M152，而稍早的枣庄徐楼M1、长清仙人台M5则均为B类；楚地最早的C类铅见于郧阳乔家院M4，但B类铅一直沿用至战国。据此可以清晰地看出，C类铅在春秋时期中原地区的年代上限大致为公元前580~前570年。官庄C类比值的空首布銎很难更早于此。
官庄遗址出有空首布的铸铜遗迹，大致与新郑中行铸铜遗址同时，或可考虑与H1187等单位分开，单独划为铸铜作坊第三期。官庄空首布的形制均为耸肩弧裆尖足布，与新郑中行等地所见平肩布差异明显，而与晋地春秋晚期前后的大型空首布十分相似。晋郑接壤始于晋文公自周室受南阳地之年（公元前635年），这也是官庄空首布一个大致的年代上限。官庄出土空首布的H1828打破出土矛銎芯的H2496，知此类与空首布生产及使用有关的灰坑在地层关系上晚于官庄早期铸铜遗存。出空首布銎芯的灰坑如H2032中还同出有镞范，知这一时期的铸铜生产仍有一定规模，产品也相对多样，并不仅限于货币。官庄H1819所出铜块，比值亦为B类，也可能属于这一阶段。而打破H2032的H1886、H2037及打破H1828的H1785等一系列灰坑单位，可以为这一阶段的年代下限提供更为准确的参考。
四、官庄遗址铸铜技术与金属资源历时性变化的初步分析
官庄遗址近年发掘所得铸铜遗物数量庞大，类型丰富，年代连续，可以初步填补西周中晚期周原李家铸铜作坊与春秋中晚期新郑中行铸铜作坊之间的技术、资源缺环。北京科技大学韩玉、刘思然对官庄出土陶范的制作技术进行了系统分析，并初步从前后两期的典型单位中总结了纹饰范制作方式、范料粒径及烘范温度等技术特征的变化规律。制范技术与本文讨论的合金技术是铸铜技术中的两个重要方面，针对这两类技术及铅料资源等因素进行历时性观察，有助于深入研究铸铜作坊的变迁。
官庄铸铜作坊第一期的合金技术及铅料资源已与西周晚期发生较大改变，而制范技术及纹饰风格则与西周一脉相承。本期改以铅锡青铜为主要产品类别，来自长江下游地区的铅料急剧减少。与李家出土的陶范相比，官庄陶范的粉砂粒径已有所增大，但制范的相关技术仍然具有较高的相似性。
官庄铸铜作坊第二期的合金技术及铅料资源与上一期变化很小，而制范技术及纹饰风格则发生了显著变化。韩玉、刘思然指出，作坊第一、二期间纹饰范的制作技术发生改变，从范上刻画堆塑过渡到纹饰模翻范；范面不再精细操作，导致范料粒径逐渐由细腻转向粗糙；同时预制纹饰模的大量增加，导致陶范需要增强机械性能以应对频繁的搬运储存，促使烘范温度明显升高。官庄铸铜作坊第三期的陶范制作技术目前尚未报道，但从宏观形貌观察，应当与作坊第二期陶范相对接近。新郑中行遗址春秋阶段陶范与本期时代基本相当，刘思然曾进行材质及粒径的系统分析，粉砂粒径稍高于官庄作坊第二期陶范。本期在合金、制范技术稳定发展的过程中，铅料的变化却十分明显，先后应用了两类新的铅料资源（图一三）。
由官庄遗址的科技分析研究可以发现，铸铜遗址的技术及资源的演变并不一定同步，并对青铜器装饰风格的变化有不同程度的影响（表六）。陶范是纹饰的实物载体，故而青铜器纹饰风格的演变与制范技术关系相对密切。合金配比能够决定铜液的流动性，低锡的合金配比往往限制了纹饰的精致程度，故而器物的装饰风格与合金材质也存在一定关联。但合金技术则在考虑技术因素外，更多地被金属资源的丰歉所左右，而金属尤其是贵重的锡料又受到贸易通路及政治格局的强烈影响。春秋初年中原地区青铜器锡含量的降低，很可能即与两周之际政治环境剧烈变动有关；春秋中期青铜器自南向北锡含量的重新升高、B类比值对应铅锡资源的广泛应用，也与楚国北进的史实基本相合。故而春秋时期铸铜作坊的金属资源与合金技术与列国间的政治、经济互动息息相关，在针对一国一地展开研究时，也需对时代共性有所把握。
五、总结
荥阳官庄遗址出土的铸铜遗物，是研究青铜器风格及铸铜技术自西周至春秋之变的良好切入点。周室东迁后，中原地区各诸侯国间的合金技术及金属资源网络呈现较强的一致性，具有密切关联。官庄遗址反映的合金技术、铅料资源，与春秋早中期中原各地青铜器的技术与资源面貌相符，故而在铸铜遗址尚乏实例的现阶段，可以将官庄遗址作为春秋早中期中原诸侯国铸铜作坊的典型，用于构建、完善先秦时期以中原地区为中心的各类铸铜技术、资源的演变序列。
官庄遗址出土的铜渣块，从锡石、锡钙硅酸盐、铅硅酸盐等指示高温的特定物相可以判断其中大部分为青铜熔炼渣，产品以铅锡青铜为主。官庄发现的铅块及铸铜遗物，铅同位素比值均以A类为主，反映官庄遗址铸铜活动兴盛阶段铅料资源的连续性。官庄铸铜作坊第一期仍在少量重熔利用更早阶段常见的B 1类比值的金属资源，在作坊第二期之后已开始利用春秋中晚期常见的B、C类铅料，完整地体现了中原地区春秋时期利用铅料资源的历时性变化。若能对官庄遗址出土铸铜遗物进行更为全面的分析，并兼顾官庄春秋墓葬出土青铜器的相关信息，当能进一步明晰时代特征。
通过合金配制及陶范制作环节的技术与资源观察，目前已对官庄遗址的铸铜技术形成初步认识。各类技术与资源并非同步变化，与青铜器风格的演变也存在不同的关联方式。铅料类别及合金配比的变动指示金属资源的丰歉程度，由于铸铜作坊与金属产地的分离，这些技术资源因素受政治格局影响十分明显。在春秋时期，强大的诸侯国参与争霸，并通过会盟的方式形成政治秩序，可能在资源层面也承担了分配转输的功能，从而导致目前青铜器检测数据所显示的广域资源共性与历时性同步变化；而面向手工业者的制范环节则具有自身的技术逻辑，演化规律更为有序，并直接影响青铜器风格的呈现与转变。
致谢：本文所用铅同位素比值数据由北京大学地球与空间科学学院黄宝玲副教授测定，北京科技大学科技史与文化遗产研究院刘思然副教授、北京大学考古文博学院博士研究生蔺诗芮对本文研究提供了重要意见，特致谢忱！
（作者：张吉 北京大学考古文博学院，郜向平 丁思聪 郑州大学历史学院，赵昊 陈建立 北京大学考古文博学院；原文刊于《南方文物》2021年第3期；此处省略注释，完整版请点击左下方“阅读原文”）
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